为什么使用平顶激光束？

为什么使用平顶激光束？

大多数激光束是高斯光束，尽管在某些情况下，具有非高斯辐照度分布是有益的。高斯光束的对称辐照度分布随着距激光束横截面中心距离的增加而减小。平顶光束在激光束的横截面上具有恒定的辐照度分布（图 1）。某些应用受益于给定区域的恒定强度，包括半导体晶圆加工、高功率水平下的非线性频率转换以及材料加工。与高斯光束相比，平顶光束通常会产生更准确和可预测的结果，例如更清晰的切割和更锐利的边缘，但它们会带来额外的系统复杂性和成本。

图 1：高斯光束通过高于应用所需阈值的多余能量和低于高斯光束外部阈值的能量来浪费能量。平顶光束效率更高，因为它们超过了阈值，同时最大限度地减少了能源浪费。

高斯光束

高质量单模激光器产生低阶高斯辐照度分布，即 TEM00 模式。平均光功率与平顶激光束相同的高斯激光束的峰值通量是平顶激光束的两倍（图 2）。高斯光束在变换下保持不变；因此，当光束通过系统传播时，即使光束尺寸发生变化，光束轮廓仍保持高斯分布。这是因为高斯函数的傅里叶变换是另一个高斯函数。光通过传播到无穷远或通过完美透镜聚焦来经历傅里叶变换。

图2：相同光功率下的高斯光束和平顶光束，可见高斯光束的峰值强度是平顶光束的两倍

高斯激光器比其他激光器更常见且更具成本效益，但它们有几个缺点，例如它们的“翅膀”或从光束可用中心部分延伸的低强度区域。如果高斯光束翼的强度低于应用所需的阈值，通常会导致能量浪费（图 1）。它们还会对周围区域造成损坏并扩大热影响区，这对于激光手术和精密材料加工等应用是有害的。由于高斯光束的热影响区较大，因此使用高斯光束切割或塑造精细特征的精度将低于平顶光束，这使得平顶光束成为此类应用的更好选择。

平顶梁

评估实际光束与理想平顶光束的接近程度的一种方法是通过平坦度因子 (Fη)。这是通过将平均辐照度值除以 ISO 13694 中规定的最大辐照度值来确定的。

平顶梁中没有侧面和更陡的边缘过渡，可提供更有效的能量传输并形成更小的热影响区。这对于以高精度和尽量减少对周围区域的损害为优先考虑的广泛应用是有益的。在计量应用中，例如激光诱导损伤阈值 (LIDT) 测试，平顶光束的均匀且明确的轮廓可降低测量不确定性和统计方差。平顶光束提供的均匀照明也有利于广泛的应用，例如荧光显微镜、全息术和干涉测量。

平顶光束的成本效益不如高斯光束，因为需要额外的光束整形组件才能将激光器的输出转换为平顶光束（图 3）。该光束整形组件可以内置于激光源中或放置在激光器外部。这些额外的光束整形组件对 xy 对准敏感，并且取决于输入光束直径。平顶激光束在变换下也不会保持恒定。因此，当光束传播时，入射平顶光束的光束轮廓不会自然保留。平顶函数的傅立叶变换是艾里斑函数，这意味着平顶光束最终会演化为艾里斑。

图 3：光束轮廓在高斯分布和平顶分布之间转换的动画

如何实现平顶梁

在一些低成本和低性能的系统中，使用孔径来物理截断高斯光束以创建伪平顶。这浪费了高斯侧翼的能量，但当成本是驱动因素时，这可能是有效的。对于需要更高性能和有效利用昂贵激光能量的应用，光束整形光学器件用于将高斯光束轮廓转换为平顶光束轮廓。折射光束整形器可实现强度分布的均匀性和平坦的相位前沿。折射平顶光束整形器可产生准直平顶光束，效率接近 100%，且无内部聚焦，可实现高功率输入光束（图 4 和图 5）。它们的光学设计适合全息术、显微镜和系统集成，尤其是在长距离情况下。

图 4：使用平顶光束整形器将入射高斯光束折射整形为平顶轮廓

图 5：输入高斯光束（左）和离开平顶光束整形器的输出平顶光束（右）的实验强度分布

另一种类型的光束整形器将输入高斯光束转换为准直艾里斑轮廓。通过衍射极限透镜聚焦后，形成平顶焦点（图 6）。这些组件的紧凑设计和螺纹使其易于集成到各种系统中。它们的效率也接近 100%，非常适合焦点处需要平顶轮廓的应用，例如光刻、微机械加工和微焊接。

图 6：平顶光束整形器将输入的高斯光束轮廓转换为艾里斑轮廓，从而在通过聚焦光学器件后产生平顶光束轮廓。

除了折射光束整形器外，其他类型还包括反射式、全息式和衍射式设计。